电液全可变配气机构建模仿真与试验研究

发布时间：2020-11-06 00:58

　　 全可变配气技术是解决柴油机节能环保问题的关键途径之一,发动机全可变配气技术可以实现气阀开启相位、气阀关闭相位以及气阀升程全可变,提高发动机的功率、扭矩以及燃油效率。对于电控液压全可变配气机构而言,能耗低、高驱动效率一直是研究和关注的重点,建立准确的系统数学模型可以精确地描述执行器的动态特性、非线性特性和系统的控制特性,并可以通过实时仿真实现系统结构和性能优化,为柴油机全可变配气技术的实现提供基础。本文优化设计了一种电液全可变配气执行器,在保留原柴油机气阀和气阀弹簧的基础上,驱动气阀实现配气参数全可变可调。通过分析系统原理和动态特性,解析系统参数之间的关系,将电液全可变配气系统按照液压油泵-溢流阀子系统,电磁阀子系统和执行器子系统三部分建立数学模型。基于Simulink仿真平台搭建系统仿真模型,开展系统性能仿真实验,实现发动机气阀开启相位、气阀关闭相位以及气阀升程的全可变控制。针对中高速柴油机不同转速工况下的优化配气要求,为提高电液执行器驱动效率,以系统流量低,落座速度小和结构简单为优化目标,利用modeFRONTIER软件,通过NSGA-Ⅱ遗传算法开展系统多目标优化设计。在优化设计基础上开展基于增量式PID算法的控制系统建模与仿真,建立的系统控制模块可以实现对气阀开启相位、关闭相位、气阀升程和落座速度的有效控制。按照目标机型设计驱动验证试验方案,搭建试验台架,开展高压输入部分验证试验,验证仿真模型的准确性。仿真与试验验证证结果表明,模型可以真实反映系统动态特性和参数变化。建立的数学模型和控制策略,为实现全可变配气发动机改装提供技术基础。
【学位单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TK423
【部分图文】：

第一章绪论2技术的发展，配气控制技术也日益走入人们的视线。但是，与其他柴油机控制技术开发过程相比，如燃料控制技术，发动机气体控制技术的早期研究相对较慢。英国科学家克拉克自1880年以来首次开始在燃气发动机上使用可变气门机构。到了1990年，仅美国专利局就有800多项可变气门机构专利技术，其中大部分是1985年到1987年间获得的[1]。气体控制技术的发展过程如下图所示，下面将详细介绍几种类别的可变气体分配技术。图1.1配气控制技术发展历程1.2.1基于凸轮轴的可变配气机构凸轮驱动的可变气门系统通过凸轮轴传动，摇臂或同步带的调整实现改变气门开启，关闭，升程等气体分配参数的目的，但由于保留原凸轮，升程曲线只能在原凸轮型线决定的升程曲线范围内有变化，即调节范围小，自由度受限，仍然会受到原来凸轮形状的限制。但是由于可变配气对发动机性能的优化效果明显，这种基于凸轮轴的可变配气机构被广泛应用与各大发动机制造公司[2]。一类是通过改变凸轮的可变配气系统最具有代表性的机构为本田公司的i-VTEC机构和奥迪AVS机构，前者通过机械方式变换主副摇臂来选择不同凸轮驱动气阀，而后者则通过电磁驱动变换不同凸轮工作，以实现低速低负荷工况下更低的燃油消耗率和高速高负荷工况下运行更高的发动机动力性。第二类是在不变换凸轮轴及凸轮的基础上，通过改变凸轮从动件使配气相位或者气门升程变化[3][1]。例如丰田VVT-i机构和BMW公司的Vanos机构[4]，均为通过调整凸轮轴与曲轴之间的相对角度，让配气相位可以在一定范围内变化，从而达到改变气门正时的效果。借助电控液压技术控制凸轮相对于曲轴发生转动来实现气门正时的可变，ECU根据发动机各部分传感器的信号判断工况并查询预存的最佳配气参数，然后给液压系统控制信号来调整气

VCM电控液压气门系统结构

第一章绪论5图1.3电磁可变配气机构结构图1.4气门升程曲线电气式配气驱动系统和电液式配气驱动系统工作原理相差无几，两者的主要区别是工作介质，电气式配气驱动系统的工质是空气。空气比液压油粘度小得多，并且粘度值几乎不会随着温度变化而变化，当然气体的质量也相对较小故而气体惯性小，因此电气式配气驱动机构其响应速度会相对较快。但空气作为驱动系统工质时具有严重的缺陷就是可压缩性非常强，因此密封以及控制精度等要求严格，而且采用压缩空气作为介质时，其所需的储存空间非常大，在强调减小体积、减轻重量的发动机上使用这种设备显然存在一定的不合理性。因此电气式配气驱动机构并没有成为人们青睐的对象，与电液配气驱动机构相比认可度低，鲜有人问津[18][19]。1.2.3电液可变配气机构原理及其研究现状除了上述两种无凸轮可变配气系统外，还有一种电液驱动可变配气系统[20]。电液驱动可变配气技术是一种通过电磁阀控制流体进出从而控制进排气门的运动以实现可变配气的机构。该类机构以其灵活的电液驱动系统得到了各科研单位的广泛关注并开展了相关研究，包括福特、康明斯、菲亚特等公司都在积极开展电液驱动气门技术的自我研发。下一节将详细介绍各种电液驱动可变配气技术原理及其研究现状。1.2.3.1国外研究现状就电液驱动可变配气机构而言，在实际应用中，Lotus公司、福特公司和菲亚特公司等将其实用化。其中Lotus公司开发的电液驱动可变配气系统，使用400Hz在的伺服阀，可实现4000r/min的发动机正常工作，并且且气阀可以以较低的速度落座[21]。
【参考文献】

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本文编号：2872441